Фильтрующий патрон для устройств обработки воды с гравитационной подачей

Фильтрующий патрон для устройств обработки воды с гравитационной подачей

Реферат

 

Изобретение предназначено для очистки воды. Фильтрующий патрон для устройства обработки воды содержит гидрофильный пористый фильтр, имеющий открытый верхний конец, закрытый нижний конец и боковые стенки между ними и соединительный элемент, уплотняющий пористый фильтр в соединении с частью фильтрующего патрона, расположенной вблизи от верхнего конца фильтра. Патрон выполнен с обеспечением подачи обрабатываемой воды в открытый верхний конец фильтра, протеканием ее через пористую среду и истечением в радиальном направлении наружу через боковые стенки пористого фильтра по мере вытеснения воздуха из открытого верхнего конца. Фильтр обеспечивает высокую степень очистки воды. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

Данное изобретение относится к фильтрующим патронам для использования в системах обработки воды с гравитационной подачей (подачей самотеком). В частности, данное изобретение относится к фильтрующему патрону с новыми фильтрующими материалами.

Предшествующий уровень техники

В технике известны бытовые устройства обработки воды. Среди этих устройств существуют автономные системы, которые обрабатывают воду периодически, порциями. Примерами таких устройств периодического действия являются устройства типа кувшинов и графинов, а также сосуды большей вместимости, в которые обрабатываемая вода наливается, например, из водопроводного крана. Такие автономные системы обычно имеют верхнюю и нижнюю камеры, разделенные фильтрующим патроном. Они работают за счет силы тяжести, перемещающей воду из верхней камеры, через патрон, и в нижнюю камеру, в результате чего получается обработанная вода.

Многие люди озабочены присутствием в воде, особенно питьевой, нежелательных и потенциально вредных загрязняющих примесей. Эта озабоченность создает желание иметь дома или где-либо в другом месте устройства обработки воды. Для удаления или нейтрализации химических загрязняющих примесей и частиц разработано множество устройств и способов обработки воды. Некоторые из этих устройств и способов для обработки воды используют химически активные материалы. Например, активированный уголь способен устранять неприятный вкус и запах воды, а также удалять хлор и другие реакционно-способные материалы. Для удаления из воды металлов и других ионов пригодны ионообменные смолы. Однако не найдено ни одного материала или химиката, который удалял бы все загрязняющие примеси.

Кроме химических загрязняющих примесей и частиц вода часто содержит биологические загрязнения. Часто бывает невозможно полностью удалить эти загрязнения с помощью активированного угля, ионообменных смол или других химически активных очистителей воды. Биологические загрязнения можно удалять более сильными химикатами, но такие химикаты обычно сами являются загрязняющими веществами, или их бывает невозможно легко включить в устройства обработки с гравитационной подачей, особенно предназначенных для бытового использования. Помимо стойкости к удалению обычными химическими средствами, многие из этих биологических загрязнений, такие как цисты простейших наподобие криптоспоридий, имеют размер всего лишь несколько микрометров.

Из-за их малого размера и относительной непригодности подходящих способов химического удаления этих биологических загрязнений, разработка устройства обработки воды с гравитационной подачей, которое может удалять цисты простейших и при этом сохраняет удовлетворительный расход воды (пропускную способность), оказалась очень трудной. Для достижения удовлетворительного расхода воды современные устройства, которые очищают воду от цист, требуют поддавливания на входе, либо давлением из крана, либо подкачкой вручную. Однако такие устройства являются относительно сложными и дорогими, а в случае применения систем ручной подкачки - трудными в использовании. Таким образом, существует потребность в устройстве обработки воды с гравитационной подачей, способном удалять биологические загрязнения, в том числе цисты наподобие криптоспоридий, в то же время, обеспечивая приемлемый расход воды.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предложен фильтрующий патрон для устройства обработки воды с гравитационной подачей. В одном аспекте изобретения такой фильтрующий патрон содержит пористый фильтр очистки от частиц, который имеет открытый верхний конец, закрытый нижний конец и боковые стенки между этими двумя концами. Пористый фильтр очистки от частиц уплотнен в соединении с частью фильтрующего патрона посредством соединительного элемента. Обработка воды происходит по мере того, как вода втекает в открытый верхний конец и проходит через боковые стенки пористого фильтра очистки от частиц. Воздух внутри фильтра, вытесняемый поступающей водой, выходит через открытый верхний конец фильтра.

В другом аспекте изобретения фильтрующий патрон содержит пористый фильтр очистки от частиц с боковыми стенками и входным отверстием. Внутри боковых стенок содержатся зернистые материалы. Обработка воды происходит по мере того, как вода входит через входное отверстие фильтра, проходит зернистые материалы и выходит наружу в радиальном направлении через боковые стенки фильтра.

В еще одном аспекте изобретения фильтрующий патрон содержит пористый фильтр очистки от частиц, который содержит стекловолокна и гидрофильное связующее. Пористый фильтр очистки от частиц уплотнен в соединении с частью фильтрующего патрона посредством соединительного элемента. Из воды, обрабатываемой в таком фильтрующем патроне, частицы цист размером 3-5 мкм удаляются более чем на 99,95%.

Эти и другие преимущества и отличительные признаки, характеризующие изобретение, подробно указаны в прилагаемой формуле изобретения. Однако для лучшего понимания изобретения и его преимуществ далее рассматриваются чертежи, составляющие еще одну часть заявки, вместе с сопровождающим их описанием, где изображен и описан предпочтительный вариант выполнения изобретения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант настоящего изобретения описывается с привлечением сопровождающих описание чертежей, на которых одинаковые номера позиций обозначают соответствующие детали:

фиг.1 - объемное изображение в разобранном виде фильтрующего патрона в одном из вариантов настоящего изобретения;

фиг.2 - частичный вид в разрезе фильтрующего патрона, показанного на фиг.1.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретения

Описываемый фильтрующий патрон 20 может использоваться в различных устройствах обработки воды с гравитационной подачей. Как показано на фиг.1 и 2, данный предпочтительный вариант изобретения фильтрующего патрона 20 содержит пористый фильтр 24 очистки от частиц, внутри которого расположены зернистые материалы 26. Фильтрующий патрон 20 также имеет оболочку 22, которая окружает пористый фильтр 24 очистки от частиц, обеспечивая для него механическую опору.

Оболочка 22 имеет фланец 36, который уплотняет пористый фильтр 24 очистки от частиц в соединении с патроном 20 таким образом, чтобы вода, текущая через патрон, проходила через пористый фильтр 24 очистки от частиц и тем самым подвергалась обработке.

Пористый фильтр 24 очистки от частиц механически удаляет из воды частицы и биологические загрязнения, такие как цисты простейших. Для эффективного отделения биологических загрязнений, пористый фильтр 24 очистки от частиц должен иметь поры, по размеру меньшие, чем загрязняющие частицы, которые требуется удалять. Биологические цисты, такие как криптоспоридии, имеют размер всего несколько микрометров. Для эффективного удаления криптоспоридии фильтр должен иметь поры, которые в диаметре меньше примерно 5 мкм, и в предпочтительном случае меньше примерно 2 мкм. Таким образом, пористый фильтр 24 очистки от частиц предпочтительно является микропористым, т.е. этот фильтр очистки от частиц имеет поры размером приблизительно 1-3 мкм или меньше.

Предпочтительно, при обработке воды в фильтрующем патроне пористый фильтр 24 очистки от частиц удаляет более чем 99,95% цист в виде частиц размером 3-4 мкм. Этот уровень фильтрации цист определен с использованием протоколов NSF 53 §6.5 и 6.12, включенных в данное описание путем ссылки.

Пористый фильтр 24 очистки от частиц предпочтительно выполнен в конфигурации с боковыми стенками 25 и открытым верхним концом. Боковые стенки 25 пористого фильтра 24 очистки от частиц являются по существу цилиндрическими. Однако в объем изобретения включены и другие конфигурации боковых стенок. Кроме того, боковые стенки 25 фильтра 24 очистки от частиц могут быть плоскими или складчатыми, как показано на фиг.1. Складчатые боковые стенки дают большую, чем плоские боковые стенки, площадь фильтрующей поверхности при одинаковой в остальном конфигурации фильтра. Однако складки не должны располагаться близко друг к другу, иначе уменьшится расход воды через складки.

Верхний конец фильтра 24 очистки от частиц, по меньшей мере, частично открыт с тем, чтобы в фильтр 24 очистки от частиц могла проходить вода, а находящийся в фильтре 24 очистки от частиц воздух мог выходить наружу по мере его вытеснения водой. Нижний конец пористого фильтра очистки от частиц может быть закрытым (этот вариант на чертежах не показан) или открытым (см. фиг.1 и 2). Если нижний конец открыт, то пористый фильтр 24 очистки от частиц должен быть прикреплен к какому-нибудь объекту, как например, нижняя крышка 29 или оболочка 22, который будет предотвращать вытекание воды из открытого нижнего конца фильтра 24 очистки от частиц.

Пористый фильтр 24 очистки от частиц может быть выполнен из множества материалов. В предпочтительном случае боковые стенки 25 пористого фильтра 24 очистки от частиц выполнены из гидрофильных микропористых фильтрующих материалов. В дополнительном варианте, когда нижний конец пористого фильтра 24 очистки от частиц закрыт, дно также может быть выполнено из гидрофильных микропористых фильтрующих материалов. Примером подходящего гидрофильного микропористого фильтрующего материала является угольный блок, выполненный полым с созданием боковых стенок и открытого верхнего конца.

Предпочтительными гидрофильными микропористыми фильтрующими материалами для конструкции пористого фильтра 24 очистки от частиц являются волокнистые листовые фильтрующие материалы. Волокна таких листовых фильтрующих материалов могут быть или натуральными, такими как волокна из целлюлозы или производных целлюлозы, или синтетическими, такими как волокна из полимеров или стекла. В предпочтительном случае в качестве волокон используются синтетические волокна, а еще более предпочтительно, чтобы волокнами были микростекловолокна. Часто натуральные волокна, такие, как целлюлозные, являются более толстыми, чем синтетические, в результате чего материал имеет меньше пор и соответственно меньшую пропускную способность.

Расход воды через пористый фильтр очистки от частиц является важнейшим фактором при определении возможности использования пористого фильтра 24 очистки от частиц в устройстве обработки воды с гравитационной подачей. Расход обычно определяется размером пор, давлением, приложенным к воде для продавливания ее через поры, и составом фильтра. В устройствах с гравитационной подачей, таких, как графины и бытовые емкости для хранения воды, давление, оказываемое на воду для продавливания ее через фильтрующий патрон 20, создается только за счет силы тяжести самой воды. В бытовых устройствах обработки воды с гравитационной подачей, таких, как графины, оказываемое на воду давление обычно меньше около 0,5 фунт на кв. дюйм (около 3400 Па). Следовательно, скорость прохождения воды под действием силы тяжести через обычный микропористый фильтр очистки от частиц очень низка и не подходит для устройства обработки воды с гравитационной подачей.

Для преодоления этого ограничения пористый фильтр 24 очистки от частиц в предпочтительных вариантах выполнения изобретения содержит гидрофильный материал. В контексте настоящего изобретения, гидрофильные материалы - это те материалы, которые в сухом состоянии быстро смачиваются (т.е. они быстро поглощают капли воды). Гидрофильность свойственна этим материалам благодаря силе притяжения между гидрофильным материалом и водой, которая больше поверхностного натяжения воды на границе раздела: вода-фильтр (т.е. силе притяжения между отдельными молекулами воды на этой границе раздела).

Гидрофильность пористого фильтра 24 очистки от частиц может быть результатом гидрофильной природы волокон или других материалов пористого фильтра очистки от частиц. В другом случае Гидрофильность фильтра может быть обусловлена введением какой-либо добавки в материал фильтра. С помощью такой добавки можно получить гидрофильный фильтр очистки от частиц, даже если этот фильтр содержит негидрофильные или гидрофобные волокна.

Гидрофильная добавка в фильтре также может выполнять в материале фильтра другие функции. Примером такой добавки является гидрофильное связующее, которое добавлено в материалы не только для придания связующему гидрофильности, но для связывания микроволокон друг с другом с образованием листа. Гидрофильные листовые фильтрующие материалы с такими свойствами производятся компанией Alhstrom, расположенной в Маунт Холли Спрингс, Пенсильвания (марка 2194-235). Подходящее гидрофильное связующее для использования при связывании микростекловолокон производится компанией Goodrich (компонент №26450).

Листовые фильтрующие материалы были получены из вышеназванного источника. Эти листовые фильтрующие материалы имели средний размер пор около 1,2 мм и толщину около 0,024 дюйма (около 0,061 см). Пористый фильтр очистки от частиц имел высоту около 3 дюймов (около 7,5 см) и внешний диаметр 1,75 дюйма (около 4,4 см). Пористый фильтр очистки от частиц был выполнен складчатым с 40 складками, равномерно распределенными по окружности фильтра, каждая складка глубиной около 0,25 дюйма (около 0,64 см), при этом внутренний диаметр фильтра составил 1,25 дюйма (около 3,2 см).

Для защиты пористого фильтра 24 очистки от частиц от повреждений вокруг него может быть расположена оболочка 22. Оболочка 22 имеет три соединяемые части: верхнюю крышку 28, нижнюю крышку 29, и корпус 30, как показано на фиг.1 и 2. Такая конструкция позволяет легко устанавливать фильтр 24 очистки от частиц в фильтрующий патрон 20. Можно использовать и другие конструкции оболочки и они включены в объем настоящего изобретения.

Оболочка 22 также имеет одно или несколько входных отверстий 32 и одно или несколько выходных отверстий 34, через которые вода входит в фильтрующий патрон 20 и выходит из него соответственно. Входные отверстия 32 расположены в верхней части оболочки 22, или в верхней крышке 28 (см. фиг.1 и 2), или в верхней части корпуса 30 (этот вариант на чертежах не показан).

Выходные отверстия 34 обычно расположены в нижней крышке 29, но могут быть и сбоку корпуса 30. Входные отверстия 32 и выходные отверстия 34 расположены внутри оболочки 22 для того, чтобы вода, входящая во входные отверстия 32, перед выходом из выходных отверстий 34 проходила через зернистые материалы 26 и пористый фильтр 24 очистки от частиц.

Пористый фильтр 24 очистки от частиц приклеен к нижней крышке 29 для создания уплотнения, препятствующего перетеканию воды под нижней торцевой частью фильтра 24. Нижняя крышка 29 также содержит одну или несколько стоек 31 с выступами, которые после установки нижней крышки 29 в корпус 30 входят в контакт с краем зубца 35 на внутренней части корпуса 30 для надежной фиксации крышки 29 в этом положении. Стойки 31 с выступами выполнены на крышке 29 с промежутками между ними, чтобы вода могла вытекать из фильтрующего патрона 20 через выходные отверстия 34 в нижней крышке 29.

Оболочка 22 также имеет фланец 36, действующий в качестве соединительного элемента, который обеспечивает уплотнение между пористым фильтром 24 очистки от частиц и фильтрующим патроном 20 таким образом, чтобы вода, текущая через входные отверстия 32, перед выходом через выходные отверстия 34 проходила через пористый фильтр 24 очистки от частиц. Фланец 36 имеет кольцевой стакан, образованный цилиндром 37 и основанием 39. Пористый фильтр 24 очистки от частиц закреплен с помощью клея в кольцевом стакане, образованном цилиндром 37 и основанием 39 для обеспечения водонепроницаемого соединения с фланцем. В объем изобретения включены также другие способы уплотнения соединения пористого фильтра 24 очистки от частиц с патроном 20.

Оболочка 22, как правило, выполняется из пластмассы или полимерного материала. В предпочтительном случае оболочка 22 выполнена из формованной пластмассы.

Расход воды через пористый фильтр 24 очистки от частиц часто уменьшается присутствием воздуха около пористого фильтра 24 очистки от частиц. Воздух, задерживающийся около пористого фильтра 24 очистки от частиц, образует поверхность контакта с водой в пористом фильтре 24 очистки от частиц. Наличие этой поверхности раздела приводит к возникновению поверхностного натяжения. Если не создавать достаточное давление, то жидкость не будет течь. Поэтому желательно обеспечить канал для выхода воздуха при его вытеснении водой, поступающей в фильтрующий патрон 20. Достоинством конструкции фильтра, представленной на фиг.1 и 2 является то, что воздух, находящийся внутри формы, образованной пористым фильтром 24 очистки от частиц, может выходить оттуда через верхний конец пористого фильтра 24 очистки от частиц и выходить из фильтрующего патрона 20 через входные отверстия 32.

Когда оболочка 22 выполнена вокруг пористого фильтра 24 очистки от частиц, воздух может также задерживаться в зазоре 38 между оболочкой 22 и фильтром 24 очистки от частиц. Присутствие задерживающегося воздуха может снизить расход через фильтр 24 с повышением уровня воды в зазоре 38.

В оболочке 22 выполнены отверстия 40 выпуска воздуха, с тем чтобы воздух мог выходить из зазора 38, особенно когда выходные отверстия 34 находятся ниже уровня воды в устройстве обработки воды. Отверстия 40 выпуска воздуха часто бывают выполнены около верхнего конца зазора 38, который находится вблизи уплотненного соединения между оболочкой 22 и пористым фильтром 24 очистки от частиц. При такой конструкции воздух, поднимаясь в воде естественным образом, благодаря своей меньшей плотности, до наиболее высокого уровня, может большей частью или полностью выходить из патрона. Помимо обеспечения пути выхода воздуха, отверстия 38 выпуска воздуха также могут функционировать в качестве отверстий выхода воды (здесь вместо поз.38 должна быть указана поз.40 - примеч. пер.).

Зернистые материалы 26 обычно расположены внутри оболочки 22 для дополнительной очистки воды. Как показано на фиг.2, зернистые материалы 26 предпочтительно расположены внутри пористого фильтра 24 очистки от частиц. Такая конструкция выгодна тем, что фильтр 24 очистки от частиц препятствует выносу зернистых материалов 26 из фильтрующего патрона 20. Кроме того, зернистые материалы 26 могут быть расположены в отдельном объеме 41 оболочки 22 (см. фиг.2).

Зернистые материалы 26 включают химикаты или материалы, пригодные для обработки воды. Зернистые материалы 26 обычно включают химикаты или другие материалы, которые могут полностью или частично удалять или дезактивировать один или несколько из следующих элементов: неприятный запах, неприятный вкус, органические загрязнения, а также металлы или другие нежелательные ионы, такие как хлор. В число подходящих зернистых материалов 26 входят углерод, цеолиты, ионообменные смолы, или их сочетания. Гранулированный активированный уголь является предпочтительной формой углерода для использования в качестве зернистого материала. Предпочтительными зернистыми материалами для использования в предложенных фильтрующих патронах является смесь слабокислотного катионита и гранулированного активированного угля.

В одном варианте изобретения, по меньшей мере, часть зернистых материалов 26 является гидрофильной. В число гидрофильных зернистых материалов 26 входит гранулированный активированный уголь. Гидрофильные зернистые материалы, расположенные внутри пористого фильтра 24 очистки от частиц, могут облегчать течение воды через пористый фильтр 24 очистки от частиц. Гидрофильные зернистые материалы, находящиеся в контакте с пористым фильтром 24 очистки от частиц, могут уменьшать сопротивление проникновению воды в боковые стенки 25 (предпочтительно гидрофильные) пористого фильтра 24 очистки от частиц и ее прохождению через них.

Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанным выше его предпочтительным вариантом выполнения, носящим только иллюстративный характер. В рамках принципов изобретения и в полной мере, определяемой широтой общих понятий, характеризующих изобретение в прилагаемой формуле изобретения, возможны изменения деталей выполнения изобретения, особенно касающихся конфигурации, размеров, расположения элементов или материалов.

Формула изобретения

1. Фильтрующий патрон для устройства обработки воды с гравитационной подачей, содержащий гидрофильный пористый фильтр, имеющий открытый верхний конец, закрытый нижний конец и боковые стенки между ними, и соединительный элемент, уплотняющий указанный гидрофильный пористый фильтр в соединении с частью фильтрующего патрона, расположенной вблизи от верхнего конца указанного фильтра, отличающийся тем, что патрон выполнен с обеспечением подачи обрабатываемой воды в открытый верхний конец фильтра, протеканием ее через пористую среду и истечением в радиальном направлении наружу через боковые стенки пористого фильтра по мере вытеснения воздуха из открытого верхнего конца.

2. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что боковая стенка пористого фильтра является по существу цилиндрической.

3. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что пористый фильтр является микропористым.

4. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что пористый фильтр содержит листовые фильтрующие материалы.

5. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что пористый фильтр является складчатым.

6. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержится оболочка, имеющая входное отверстие и выходное отверстие, при этом оболочка расположена вокруг пористого фильтра, а вода обрабатывается при ее прохождении из входного отверстия в открытый верхний конец пористого фильтра, через его боковую стенку и из выходного отверстия оболочки.

7. Фильтрующий патрон по п.6, отличающийся тем, что оболочка дополнительно содержит одно или несколько отверстий выпуска воздуха таким образом, что, когда вода поступает в патрон через входное отверстие оболочки, воздух также вытесняется через отверстия выпуска воздуха в оболочке.

8. Фильтр для очистки воды, подаваемой самотеком, содержащий фильтр, имеющий пористую зернистую фильтрующую среду, расположенную в корпусе фильтра, имеющем входное отверстие на стороне открытого верхнего торца, закрытый нижний торец и боковые стенки, определяющие внутренний объем, соединительный элемент, герметизирующий зернистую фильтрующую среду до части корпуса фильтра, близкой к верхнему торцу фильтра, разделяя, таким образом, необработанную воду от очищенной воды, причем пористый фильтр и зернистая фильтрующая среда выполнены и расположены таким образом, что вода течет самотеком во входное отверстие через зернистую фильтрующую среду и вытекает радиально наружу через боковые стенки пористого фильтра по мере ее обработки, а воздух выходит из открытого верхнего торца.

9. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что пористый фильтр содержит листовые фильтрующие материалы.

10. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что боковая стенка пористого фильтра является по существу цилиндрической.

11. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что поритый фильтр является складчатым.

12. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что пористый фильтр содержит гидрофильный материал.

13. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что пористый фильтр содержит микростекловолокна.

14. Фильтр по п.13, отличающийся тем, что пористый фильтр дополнительно содержит гидрофильное связующее, скрепляющее микростекловолокна друг с другом.

15. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что пористый фильтр способен удалять цисты простейших.

16. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что пористый фильтр является микропористым.

17. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что зернистые материалы представляют собой углерод, ионообменную смолу или их сочетание.

18. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что углерод в зернистых материалах содержит гранулированный активированный уголь.

19. Фильтр по п.8, отличающийся тем, что зернистые материалы являются гидрофильными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.05.2007

Извещение опубликовано: 20.05.2007        БИ: 14/2007